учебное пособие. Часть1. Информатика

в вертикальном исполнении (tower) полноразмерные (big tower), среднеразмерные (midi tower) и малоразмерные (mini tower).

Форм-факторы сейчас используют двух типов: АТ и АТХ. Различаются они возможностью крепить в корпусах различные материнские платы, на которых размещаются основные схемотехнические решения и важнейшие узлы ЭВМ. Корпуса поставляются вместе с блоком питания и его мощность один из параметров корпуса.

Монитор

Различаются размерами (в дюймах по диагонали экрана) и шагом маски. Универсальны с размерами 15 и 17 дюймов, а для операций с графикой желательно размеры 19 и 21 дюйм. Чтобы цвета сходились в одну точку перед люминофором кинескопа, внутри установлена маска. Новые мониторы дополняют маской из вертикальных проволочек. Чем меньше расстояние между ними (шаг маски), тем четче и точнее изображение. Распространены с шагом 0,25-0,27мм, при шаге меньше растет стоимость монитора, а при шаге выше 0,33 устают глаза у операторов.

Частота регенерации монитора характеризует скорость обновления кадров на экране. Чем она выше – тем выше качество изображения. Минимальная 75 Гц, общепринятая 85 Гц, комфортная 100 Гц и выше.

Класс защиты монитора показывает его свойства с точки зрения безопасности. Международных стандартов много: МPR-II, TCO-92, TCO-95, TCO-99. Эргономические и экологические требования появились только в стандартах TCO-95 и TCO-99. Стандарт TCO-99 имеет самые строгие требования по уровню ВЧ излучения и по качеству изображения – яркость, мерцание, блики покрытия, контрастность). Большинством параметров изображения можно управлять в ПК программно и эти программы входят в комплект программ системного уровня.

Клавиатура

Клавиатура входит в базовую конфигурацию и не требует системных программ – драйверов. Ее программа зашита в ПЗУ на базовом уровне в составе базовой системы ввода-вывода (BIOS) и ПК реагирует на нажатие клавиш сразу же по включению, обеспечивая совместно с монитором простейший интерфейс пользователя.

Работа клавиатуры многоэтапна.

1.При нажатии клавиши специальная микросхема вырабатывает так называемый скан-код.

2.Скан-код поступает в микросхему порта внутри системного блока.

3.Порт выдает процессору прерывание с фиксированным номером.

4.Процессор, отложив текущую работу, по номеру прерывания обращается в определенную область оперативной памяти, в которой вектор

11

прерываний дает ему адрес начала программы, обрабатывающей прерывание. Вектор прерываний это список адресных данных.

5.Определив начало программы, процессор ее исполняет в соответствии с программой, зашитой в ПЗУ. Можно вместо программ ПЗУ подставить свои программы и получить свою индивидуальную клавиатуру

6.Программа обработчик прерывания направляет процессор к порту клавиатуры, где он находит скан-код, загружает его в свои регистры и определяет, при помощи обработчика, какой код символа соответствует данному скан-коду.

7.Обработчик прерываний (программа) отправляет полученный код символа в небольшую область памяти – буфер клавиатуры, и прекращает работу, известив процессор.

8.Процессор прекращает обработку прерывания и возвращается к прежней отложенной задаче.

9.Введенный символ хранится в буфере клавиатуры, пока его не заберет та программа, для которой он предназначался, например, текстовый редактор. Если символы поступают в буфер чаще, чем забираются, то наступает переполнение буфера и ввод новых символов на некоторое время прекращается (обычно слышен предупреждающий звуковой сигнал).

Состав клавиатуры

Группа алфавитно-цифровых клавиш работает в нескольких режимах – регистрах и каждая клавиша используется тем самым для ввода нескольких символов – в каждом регистре своего. Раскладки клавиатуры повторяют раскладки пишуших машинок. Переключение нефиксированное выполняется удержанием клавиши Shift, а фиксированное клавишей Caps Lock. Если клавиатура используется для ввода данных, абзац закрывается, и ввод текста с новой строки начинается командой с клавиши Enter. Если происходит ввод команд какой-либо программы, то клавишей Enter завершают ввод команды и начинают ее исполнение.

Смена алфавитов текста осуществляется программным путем по командам от различных клавиш. Набор этих клавиш зависит от операционной системы ПК, например, для WindowsХР переход на латинские буквы (или с них на русские) осуществляется комбинациями левых клавиш

Alt+Shift или Ctrl+Shift.

В верхней части клавиатуры расположена группа функциональных клавиш от F1 до F12. Функции каждой из этих клавиш зависят от свойств работающей в данный момент программы и от операционной системы. Общепринято, что F1 вызывает справочную систему, в которой можно найти функции других клавиш.

Служебные клавиши, которыми приходится пользоваться часто, имеют увеличенный размер. К ним относятся Shift, Enter, Alt, Ctrl, Esc, Tab, Backspace (маркируемая стрелкой влево и расположенной над клавишей

12

Enter). Клавиша Esc служит для отказа от исполнения последней введенной команды, а клавиша Backspace для удаления толькочто введенных знаков.

Справа от функциональных клавиш размещена группа служебных клавиш, выполняющих специфические функции, зависящие от операционной системы.

Общепринятыми являются следующие действия: Print Screen – печать текущего состояния экрана на принтере (MC DOS) или сохранения его в специальной области оперативной памяти (для Windows); Pause/Break – приостановка / прерывание текущего процесса;Scroll Lock – переключение режимов работы в устаревших программах.

Две группы клавиш управления курсором (экранным элементом, показывающим место ввода знаковой информации) находятся справа от алфавита. 4 клавиши со стрелками выполняют смещение курсора по соответствующим координатам. Клавиши Page Up и Page Down переводят курсор вверх или низ фрагмента документа, видимого на экране, позволяя прокрутить весь документ в окне просмотра. Клавиши Home и End переводят курсор в начало или конец текущей строки. Клавиша Insert раньше переключала режим ввода данных в режим вставки. Если курсор находится посреди текста, то клавишей как бы раздвигался текст. Сейчас действие этой клавиши является настраиваемым. Клавиша Delete предназначена для удаления знаков справа от курсора в отличие от клавиши , удаляющей знаки слева.

Клавиатура имеет свойство повтора знаков. Если держать клавишу долго – знак начнет повторятся. Частота повтора и время до него настраиваются программно.

Мышь

Мышь это манипулятор, синхронизированный с перемещением графического объекта – указателя мыши. Мышь не клавиатура и для нее нет выделенного порта, а базовые средства ввода и вывода (BIOS), размещенные в ПЗУ, не имеют программных средств для обработки прерываний мыши.

Мышь нуждается в программной поддержке – установке драйвера мыши. Для работы с ней используют один из стандартных портов, средства для работы с которыми имеются в BIOS. Компьютер управляется перемещением мыши по плоскости и щелчками (нажатием левой или правой клавиши мыши). Мышь не позволяет вводить знаковую информацию как клавиатура и не заменяет ее. Щелчки мыши определяют события, анализируя которые драйвер устанавливает, в каком месте экрана и когда произошло событие, передает это в прикладную программу, заставляя ее выполнять команду, которую имел в виду пользователь.

Комбинация монитора, и мыши обеспечивают удобный графический интерфейс пользователя. С помощью мыши пользователь изменяет свойства объекта, приводя ей в действие устройства управления и наблюдая отклики в графическом виде на экране монитора.

13

2.3. Устройство системного блока персонального компьютера

Материнская плата содержит:

Процессор – основную мс, выполняющую большинство логических и математических операций (работает Cooler );

Микропроцессорный комплект (чипсет) –набор мс, управляющих работой внутренних устройств компьютера и определяющий основные возможности материнской платы;

Шины – набор проводников для обмена сигналами; Оперативную память – ОЗУ – набор мс для временного хранения

данных при включенном компьютере; ПЗУ – мс для длительного хранения данных и при выключенном

компьютере; Разъемы (слоты) для дополнительных устройств.

Жесткий диск – группа соосных дисков с 2n поверхностями, имеющих магнитное покрытие. При каждой поверхности головка, которая при скорости вращения дисков более 90 об/с парит над поверхностью за счет аэродинамического эффекта на расстоянии в несколько микрон. При изменении тока головки, меняются напряженность магнитного поля в зазоре и переориентируются магнитные домены покрытия диска. В ПК дисковод жестких дисков называют винчестером.

Дисковод гибких дисков для оперативного переноса информации. Стандартные дискеты 3,5 дюйма имеют емкость 1440 Кбайт и маркируются HD-higt density – высокой плотности. На дискетах имеется задвижка, открытие которой предохраняет от случайного стирания и перезаписи.

Дисковод компакт дисков – CD-ROM считывается лазерным лучем отраженный от поликарбонатного диска сигнал. Из-за большой емкости эта техника отнесена к мультимедиа (совместное изображение, речь, музыка). Диски называют мультимедийными изданиями. Различают диски для разовой записи CD-R (recorder) и для многократной CD-RW. Основной параметр диска – скорость чтения. За единицу измерения принята скорость первого образца 150 Кбайт/с. Сейчас скорость чтения 32х-48х, что значит 32х150 Кбайт/с – 48х150 Кбайт/с. Скорость записи много скромнее 4х-8х.

Видеокарта – видеоадаптер вынесена на отдельную плату, включаемую в слот материнской платы. Видеокарта выполняет функции видеоконтроллера (считывает данные о яркости точек экрана и управляет разверткой экрана), видеопроцессора, видеопамяти. Сменилось несколько поколений мониторов VDA – монохромный, CGA-четырехцветный, EGA – 16 цветов, VGA256 цветов и сейчас SVGA с 16,7 миллионов цветов с возможностью выбора произвольного разрешения экрана из стандартного ряда значений 640х480, 800х600, 1024х768, 1152х864, 1280х1024 и т.д.

Оптимальное разрешение экрана определяется по табл. 1.

Цветовое разрешение зависит от объема видеопамяти, типовое значение 16 Мбайт. Видеокарты способны выполнять и обработку изображения, разгружая процессор. Видеоускорение – это преобразование

15

данных видеоадптером без процессора в микросхемах видеокарты. Различают ускорители плоской 2D и трехмерной 3D графики.

Таблица 1.

Рекомендуемое разрешение экрана мониторов

Звуковая карта подключается к одному из слотов материнской платы и выполняет вычислительные операции, связанные с обработкой звука, речи, музыки. Звуковые колонки подключаются к выходу звуковой карты. Имеется разъем для микрофона. Основной параметр карты – разрядность для оцифровки, определяющая количество битов, используемых при преобразовании сигналов из аналоговой формы в цифровую и наоборот. Активно используют 32 и 64 разрядные устройства. Стандартов на видеокарты нет, но наиболее широко используются устройства, совместимые с оборудованием фирмы Creative Labs.

2.3.1. Устройства на материнской плате

Оперативная память (RAM – Random Access Memory) состоит из ячеек динамической памяти DRAM из микроконденсаторов, способных копить заряд. Заряд разряд требует времени, что замедляет запись данных и заряд рассеивается из-за потерь, и его приходится постоянно регенерировать (обновлять) десятки раз в секунду, что требует расхода ресурсов вычислительной системы. Микросхемы динамической памяти используют в качестве основного оперативного запоминающего устройства – ОЗУ.

Статическая память на триггерах используется как вспомогательная (кэш память) для оптимизации работы процессора.

У каждой ячейки памяти есть адрес, задаваемый числом. В процессорах Intel Pentium принята 32 разрядная адресация и возможно обращение к 232 =4,3 Гбайт адресам. Оперативная память размещается на панельках – модулях, вставляемых в разъемы материнской платы. Модули бывают однорядные SIMM – модули и двухрядные DIMM – модули. Типичное время доступа к SIMM модулям 50-70 нс, а к DIMM 7-10 нс.

Процессор – основная микросхема ПК, в которой производятся вычисления. Конструктивно состоит из ячеек, называемых регистрами. Среди регистров есть управляющие обработкой данных в других регистрах, есть и способные изменять исполнение команд в зависимости от поступивших данных. То есть, управляя засылкой данных в разные регистры процессора, можно управлять обработкой данных – это и есть исполнение программ.

16

Шины связывают процессор по материнской плате с оперативной памятью и другими узлами ПК. Основных шин 3:

Адресная (у процессоров Intel Pentium 32 разрядная – 32 параллельных линии). Комбинация из 32 нулей (нет напряжения на линии шины) и единиц (есть напряжение на линии шины) образует адрес, указывающий на одну из ячеек оперативной памяти, к которой и подключается процессор для копирования данных в один из своих регистров.

Данных, по которой происходит копирование данных из оперативной памяти в регистры процессора и обратно. (у процессоров Intel Pentium 64разрядная шина, т.е. 64 линии по которым за один раз поступает на обработку 8 байтов.

Командная для команд поступающих из тех областей оперативной памяти, где хранятся программы, и указывающих, что делать с байтами, которые хранятся в регистрах процессора.

Система команд процессора достаточно сложна, так как он обслуживает данные в своих регистрах, находящиеся в оперативной памяти, а также во внешних портах процессора. Процессоры разных семейств, имеющие разные системы команд невзаимозаменяемы. Процессоры, имеющие систему из более 1000 команд, называют процессорами с расширенной системой команд (CISC – Complex Instruction Set Computing). CISC процессоры требуют длинной записи команд, поэтому для сокращения времени обмена командами для специализированных ЭВМ были разработаны системы с сокращенным количеством команд, ориентированные на выполнение единообразных операций, это так называемые RISC – Reduced процессоры. Процессоры AMD-K6 имеют внутреннее ядро по RISC структуре, а внешнее по CISC, то есть гибридную архитектуру.

Основные параметры процессора – рабочая тактовая частота, разрядность, рабочее напряжение, коэффициент внутреннего умножения тактовой частоты, размер кэш-памяти. Понижение рабочего напряжения позволяет уменьшить расстояние между элементами в кристалле процессора (из-за электрического пробоя). Пропорционально квадрату напряжения уменьшается и тепловыделение, а значит, растет производительность. Исполнение команд занимает определенное количество тактов, которые задает одна из микросхем чипсета, расположенного на материнской плате. Чем выше тактовая частота, тем выше производительность, так как исполняется больше команд в единицу времени. Но материнская плата из-за протяженности проводников имеет ограничение по частоте, так как каждый проводник вносит сопротивление X L 2 fL , ослабляющее высокочастотные

сигналы. Большинство материнских плат работают с тактовой частотой в интервале от 100 до 200 МГц и внутри процессора ее умножают в 3-5 и более раз для увеличения скорости его работы. Поэтому обмен данными внутри процессора происходит значительно быстрее, чем, например, с оперативной памятью. Чтобы сократить количество обращений к оперативной памяти внутри процессора создают буферную область – кэш память к которой обращение ускоренно. Когда процессору нужны данные он сначала

17

обращается в кэш – память, и только, если там нет требуемого, обращается к оперативной памяти.

Высокопроизводительные процессоры комплектуются повышенным объемом кэш – памяти. Часто кэш память делают по уровням. Первый уровень для ядра процессора с малым объемом, второй уровень в кристалле или в одном узле с процессором с частотой, согласованной с частотой ядра процессора. Третий уровень внешний с частотой материнской платы, но на быстродействующих микросхемах типа SRAM (триггера статической памяти).

2.3.2.Микросхема ПЗУ и система BIOS

Впервый момент после включения процессору нужны команды, но оперативная память помнит их лишь доли секунды после выключения. Поэтому в момент включения на адресной шине процессора выставляется стартовый адрес. Это происходит аппаратно, без участия программ. Процессор обращается по выставленному адресу за своей первой командой и далее начинает работать по программам. Стартовый адрес указывает на постоянное запоминающее устройство ПЗУ, которое способно длительно хранить информацию и при выключенном компьютере, так как информация зашита туда на этапе изготовления. Комплект программ, находящихся в ПЗУ, образует стартовую систему, которую называют базовая система ввода-

вывода (BIOS – Basic Input Output System). Назначение этой системы в проверке состава и работоспособности компьютера и в обеспечении взаимодействия с клавиатурой, мышью, монитором, жестким диском и дисководом гибких дисков. Запуск компьютера сопровождается диагностическими сообщениями от программ BIOS, позволяющими вмешаться в процесс запуска с помощью клавиатуры.

Энергонезависимая память CMOS

Программы BIOS, чтобы начать работу с оборудованием должны знать, где найти нужные данные. Для этого на материнской плате есть энергонезависимая микросхема (по технологии изготовления называемая CMOS) памяти. Ее данные не стираются при выключении, а от ПЗУ она отличается тем, что питается от собственного аккумулятора (или батарейки на старых материнских платах – заряда которой хватает на несколько лет) и данные в нее можно вносить и изменять самостоятельно, в соответствии с тем, какое оборудование применяем. В CMOS хранятся данные о жестких и гибких дисках, о процессоре и о других устройствах материнской платы.

То есть программы BIOS считывают данные о составе оборудования из микросхемы CMOS, после чего обращаются к жесткому диску или к гибкому и передают управление тем программам, которые там записаны.

18

Шинные интерфейсы материнской платы

Промышленный стандарт ISA – Industry Standard Architecture

введенный платформой IBM PC позволил связать между собой все устройства системного блока и подключать через слоты дополнительные устройства. Пропускная способность шины такой архитектуры 5,5 Мбайт/с. Расширением стандарта ISA стал EISA (Extended ISA) с увеличенным разъемом и увеличенной производительностью, но тоже низкой (32 Мбайт/с). После 2000г. платы с такими разъемами не производятся. Локальная шина стандарта VESA, названная VLB, подняла тактовую частоту до 50 МГц, а пропускная способность стала 130 Мбайт/с. У интерфейса VLB имеется недостаток: его пропускная способность зависит от количества подключенных устройств.

Интерфейс PCI (Peripheral Component Interconnect – стандарт подключения внешних компонентов) является интерфейсом локальной шины, связывающей процессор с оперативной памятью, в который врезаны разъемы для подключения внешних устройств. Этот стандарт ввел новый режим plug-and-play, суть которого в том, что при подключении нового устройства к разъему шины PCI происходит обмен данными между этим устройством и материнской платой, в результате которого устройство автоматически получает номер используемого прерывания, адрес порта подключения и номер канала прямого доступа к памяти. С появлением этого стандарта стало возможным выполнять установку новых устройств с помощью программных средств операционной системы. Разъём шины PCI белого цвета и средний по размерам.

Для связи процессора и памяти используется специальная шина FSB – Front Side Bus с частотой до 200 МГц. Частота шины FSB определяет основные параметры материнской платы.

AGP –Advanced Graphic Port – усовершенствованный графический порт или видеоадаптер, требующий высокой скорости передачи данных, которую достигают умножением. Разъём шины AGP – короткий коричневый.

USB – Universal Serial Bus – шина с производительностью более 1,5 Мбит/с, позволяющая подключать бесконфликтно до 256 внешних устройств с последовательным интерфейсом. Удобна тем, что позволяет отключать устройства в горячем режиме (то есть без выключения компьютера) и объединять ПК в локальную сеть без специального оборудования и программного обеспечения.

Микропроцессорный чипсет в наибольшей степени определяет свойства материнской платы. Выпускается на базе двух микросхем, называемых северный мост и южный мост.

Северный мост или четырехпортовый контроллер управляет взаимодействием 4 устройств: процессора, оперативной памяти, порта AGP, шины PCI .

19

Южный мост или функциональный контроллер управляет взаимодействием с жестким и гибким дисками, клавиатурой, мышью, шиной USB и выполняет функции моста ISA-PCI.

2.4. Программное обеспечение

Программа – это упорядоченная последовательность логических команд, которая управляет аппаратными средствами. Многие программы опираются друг на друга, и это требует межпрограммного интерфейса. Для создания программной конфигурации нужны специальные протоколы взаимодействия программ. Этого достигают распределением программного обеспечения на нескольких взаимосвязанных между собой уровнях. Каждый вышележащий уровень увеличивает возможности компьютера.

Нижний уровень назвали базовым. Базовое программное обеспечение (ПО) отвечает за взаимодействие с базовыми аппаратными средствами и обычно входит в состав оборудования и хранится в постоянном запоминающем устройстве – ПЗУ или по английски – Read Only MemoryROM. Эти программы записываются (прошиваются) в микросхемах ПЗУ на этапе производства и не меняются при эксплуатации ЭВМ.

Однако есть и ЭВМ, использующие перепрограммируемые ПЗУ

(ППЗУ) – Erasable and Programmable Read Only Memory – EPROM. В них можно менять содержание программ как с помощью самой ЭВМ – флеш технология, так и с помощью специальных устройств – программаторов.

Более высокий программный уровень назвали системным. Это промежуточный уровень, обеспечивающий взаимодействие всех программ архитектуры с базовым уровнем и непосредственно с аппаратным обеспечением. От этого уровня зависят эксплуатационные характеристики ЭВМ. Подключение внешних устройств, например, сканера, требует установки на системном уровне программы взаимодействия с этим сканером. Программы, отвечающие за взаимодействие с внешними устройствами называют драйверами устройств.

Кроме драйверов системный уровень ПО отвечает за взаимодействие с пользователем, т.е. обеспечивает пользовательский интерфейс. Поэтому от этих программ зависит удобство ввода-вывода данных и производительность труда пользователя.

При оснащении системным уровнем ПО компьютер готов к установке программ более высоких уровней и к взаимодействию ЭВМ с пользователем. С учетом этого программы системного уровня образуют ядро операционной системы ЭВМ, именно оно обеспечивает взаимодействие человека с машиной.

Выше в иерархии находится служебный уровень ПО, программы которого взаимодействуют и с базовым и с системным уровнями. Они выполняют функции по автоматизации работ по проверке, наладке и настройке компьютера. Программы служебного уровня называют утилитами. Утилиты используют и для расширения возможностей

20